劉家琳

（上海勘測設計研究院有限公司，上海，200434）

0 前言

地理信息系統(tǒng)是一種通過計算機技術對地理分布數(shù)據(jù)進行采集和存儲的技術系統(tǒng)，存儲的數(shù)據(jù)可以進行相關運算、分析，以及可視化展示，是一種信息化的技術手段。近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，GIS技術的應用已經(jīng)越發(fā)成熟，在區(qū)域開發(fā)規(guī)劃、環(huán)境保護、現(xiàn)代化管理等方面均得到了有效運用，在水利行業(yè)有著廣闊的應用前景[1]。

流域綜合規(guī)劃是地區(qū)水資源開發(fā)和保護指導的綱領性文件，是流域基礎水利建設的依據(jù)，也是地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。其涉及專業(yè)眾多，工作量繁復，運用GIS技術進行流域綜合規(guī)劃的編制，可以改變傳統(tǒng)人工計算、設計、繪圖的方法，并減少工作量，提高流域空間規(guī)劃制定的效率與適用度[2]。

1 GIS技術應用方法

1.1 資料的采集與處理

GIS技術將采集的數(shù)據(jù)以數(shù)字格式存儲。在流域綜合規(guī)劃的過程中，儲存有數(shù)據(jù)的矢量和柵格圖層是一切分析計算的基礎，包括地形、土地利用、土壤質地、土壤侵蝕等基本圖層。部分圖層可經(jīng)由網(wǎng)絡獲得，包括：地理空間數(shù)據(jù)云提供的空間分辨率約為30m的DEM數(shù)據(jù)，國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心提供的2000年1：10萬土地利用類型數(shù)據(jù)以及1：100萬土壤類型數(shù)據(jù)等[3]；部分圖層因項目需要可以由當?shù)厥∽匀毁Y源廳、測繪局、水土保持局等水利主管部門提供，包括：模擬地形數(shù)據(jù)，水土保持現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀土地利用調查數(shù)據(jù)以及包括水系、居民地、行政區(qū)劃、地貌、地名及注記等數(shù)據(jù)內容的矢量數(shù)據(jù)等。除此以外，還需要流域內的地區(qū)調查及文字資料。

數(shù)據(jù)收集完成后需要對數(shù)據(jù)進行初步的基本處理，可以利用ArcCatalog工具建立空間屬性數(shù)據(jù)庫，組織和管理所有收集到的GIS數(shù)據(jù)，并隨時對數(shù)據(jù)元進行查找和瀏覽。地理數(shù)據(jù)庫建立后，還需要對其中各要素進行對比修正，如將土地利用現(xiàn)狀圖對比地形圖中近期發(fā)生的變化進行修正，以達到數(shù)據(jù)更加統(tǒng)一、精準的目的。建立的地理數(shù)據(jù)庫內容豐富，且可以對屬性數(shù)據(jù)進行分級存儲，土地利用圖層屬性信息存儲情況見表1。

表1 土地利用屬性表

1.2 屬性提取與水文計算

規(guī)劃的基礎是流域屬性的提取及流域水文的計算，包括坡面屬性、水系分級、流域范圍、等高線等信息的獲取，這些都可以使用GIS工具對已有圖層中存儲的地形、水系、人口、地貌等數(shù)據(jù)需要進行空間分析和預處理，以獲得流域綜合規(guī)劃所需要的基本信息。

在模型計算上，水文數(shù)據(jù)的計算是流域規(guī)劃的基礎[4]，利用GIS技術進行子流域劃分、地貌特征統(tǒng)計、自然匯水關系分析，并利用分布式水文模型進行計算，在數(shù)據(jù)量充足的基礎上，細化計算結果，提高了水文計算的精確度、流域綜合規(guī)劃的適用度和可信度[5]。

本次計算以SWAT模型[6]為例，SWAT是具有物理基礎的分布式水文模型，在進行水文過程模擬時，在模型中輸入DEM、土壤類型、土地利用、氣溫等氣象數(shù)據(jù)和水庫數(shù)據(jù)等，以此輸出模擬的徑流數(shù)據(jù)，依據(jù)實測數(shù)據(jù)對其進行率定，從而構建出適用于流域的水文模型，對其氣象、土地利用等短期數(shù)據(jù)進行預測，代入率定好的水文模型，可以得到規(guī)劃期內的徑流數(shù)據(jù)，作為流域綜合規(guī)劃的依據(jù)。

以滇池流域為研究對象，構建適用于滇池流域的分布式水文模型，作為流域綜合規(guī)劃的基礎。滇池流域的雨量站、氣象站及DEM底圖見圖1，土壤見圖2，土地利用變化過程如圖3所示。

圖1 研究區(qū)雨量站、氣象站點分布

圖2 滇池流域土壤分布情況

圖3 滇池流域2010年和2030年土地利用情況圖

為對2001～2015年共15年數(shù)據(jù)進行率定，以2001年為預熱期，2002～2011年作為模型的率定期，2012～2015年作為模型的驗證期。采用水量偏差BIAS、標準差比率RSR、相關系數(shù)R和確定性系數(shù)NSE四個指標對滇池流域SWAT模型月徑流量進行率定和驗證結果的精度計算，結果見表2，模擬月徑流過程見圖4。由表2可以看出，水量誤差均在10%以內，模擬值與實測值總水量上相差不大；相關系數(shù)R都在0.85以上，說明模擬流量和實測流量間的相關程度較高；確定性系數(shù)均在0.7以上，說明流量過程模擬效果良好。因此，SWAT模型的整體模擬性能令人滿意，可以用于滇池流域的徑流模擬計算。未來徑流模擬結果見圖5。

圖4 2002～2015年月徑流過程

圖5 2016～2060年模擬月徑流過程

表2 滇池流域SWAT模型模擬結果指標分析

2 GIS技術在流域規(guī)劃中的應用

2.1 數(shù)據(jù)計算與屬性分析

流域綜合規(guī)劃是流域各專業(yè)規(guī)劃的綜合，各類規(guī)劃均離不開GIS技術的支持。

防洪規(guī)劃是在統(tǒng)籌地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和防洪安全保障要求的基礎上，因地制宜地制定防洪方針。基本數(shù)據(jù)包括暴雨、洪水、地形、河流水系等自然因素，對DEM數(shù)據(jù)進行自然匯水關系和地貌分析，或者由相關部門提供的水文矢量圖均可讀取地形、水系等自然數(shù)據(jù)。通過空間疊置分析，可以獲得人口、城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)等經(jīng)濟社會因素的分布，一方面可以分析確定防洪保護對象，另一方面可以確定災害易發(fā)區(qū)，從而制定有效的防洪措施。采用GIS技術也可以在洪災后對洪災情況進行分析梳理，并對其危險性進行評估，以減少人力、物力、財力的消耗，優(yōu)化災后重建工作。因此，GIS技術是輔助開展洪水災害分析、防洪指導決策的有效工具[7]。此外，還可以進行防洪工作自動化建設，以對防洪工作進行有效管理，減少洪災中的人員傷亡。

水資源及供水規(guī)劃是在對流域水資源量及利用現(xiàn)狀進行調查分析的基礎上，根據(jù)當?shù)厮Y源特點進行水資源基礎評價，提出供水規(guī)劃方案。水資源及供水規(guī)劃的基礎是流域水文水資源現(xiàn)狀，流域地表水及地下水的計算可以在GIS技術的輔助下運用分布式水文模型進行水文計算，更為方便、快速的同時，在一定程度上可以提高水文計算結果的準確度。另外，利用GIS技術對人口、用水企業(yè)、農田、水庫等需水、供水對象分布情況數(shù)據(jù)的獲取，并進行空間分析，可以統(tǒng)籌考慮生活、生產、生態(tài)環(huán)境供用水的實際情況，從而建立合適的流域多水源供水配置方案，優(yōu)化供水配置，提高城鄉(xiāng)居民用水質量。

水力發(fā)電規(guī)劃應在分析水能資源及開發(fā)現(xiàn)狀基礎上，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟社會發(fā)展、防洪防凌、水資源配置、生態(tài)環(huán)境保護和水能資源開發(fā)等綜合利用需求，提出水電開發(fā)方案。流域水能資源理論蘊藏量是規(guī)劃的基礎，流域生態(tài)保護區(qū)、寺廟等敏感要素是電站建設的限制條件，通過空間疊置分析可以對流域敏感對象、敏感區(qū)進行區(qū)位分析，也可對流域現(xiàn)有小水電進行空間分析，提出后續(xù)規(guī)劃等，以期實現(xiàn)梯級水電工程更為優(yōu)化的空間決策，這也是GIS技術未來的發(fā)展方向之一。

水生態(tài)保護與修復規(guī)劃應確定主要同期及其控制節(jié)點的生態(tài)需水量指標，并應作為流域開發(fā)保護的控制性指標之一。GIS技術將生態(tài)環(huán)境、土壤植被的分布狀況、氣象水文水資源空間分布等相關數(shù)據(jù)及地形等各類流域實際情況以數(shù)據(jù)的形式存儲在計算機中，易于調取使用，同時將這些數(shù)據(jù)以圖像的方式進行展示，更加直觀，并幫助真正實現(xiàn)對地表水資源的合理評價，為流域水資源的保護規(guī)劃提供依據(jù)[8]。

水土保持規(guī)劃應根據(jù)流域水土流失的現(xiàn)狀及流域保護和發(fā)展對水土保持的要求，制定防治措施和方案。在GIS支持下可以建立圖形數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)和計算編程數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)，以此為基礎來進行模型運算，實現(xiàn)計算方法的升級，降低模型計算的復雜程度，提高相應的計算及分析效率，并進一步提高規(guī)劃精度，實現(xiàn)了定位、定量、定性三結合。與此同時，運用GIS輸入基本圖層，對流域侵蝕現(xiàn)狀、土地利用、植被覆蓋等進行空間上的對應分析，可以實現(xiàn)土壤侵蝕現(xiàn)狀圖、水土保持分區(qū)圖、水土流失防治措施總體布局圖等專題圖件的輸出。

2.2 制圖與結果輸出

制圖是綜合規(guī)劃的重要組成部分，可以直觀的體現(xiàn)流域現(xiàn)狀及規(guī)劃工程分布、流域水文地質基本情況、站點及敏感點的相對位置等。應用GIS技術可以實現(xiàn)基礎圖件的輸入和專題圖件的輸出，結合其他制圖軟件，使得制圖更為方便、美觀。在此基礎上，ArcGIS提供了3D分析功能，可以實現(xiàn)3D建模并繪制三維立體圖，有助于分析礦山和地下水文等真實的三維現(xiàn)象，使得流域地形更加直觀，繪圖更加逼真，也為因地制宜地進行流域規(guī)劃奠定基礎。在此基礎上，與時間序列的結合將實現(xiàn)四維GIS的實現(xiàn)，這在滿足社會發(fā)展的需要等方面有著廣闊的前景。

3 流域信息化建設

目前，水利信息化是水利行業(yè)的發(fā)展趨勢，是國家國民經(jīng)濟信息化的重要組成部分，可以實現(xiàn)信息多元化、傳輸快速化、資料共享化、處理可視化，使得信息更加安全有保障。GIS技術是實現(xiàn)水利信息化的技術支撐，建立水利GIS系統(tǒng)可以實現(xiàn)流域水利數(shù)字化管理，實現(xiàn)傳輸精確化、監(jiān)測體系化、管理信息化，真正做到“全面監(jiān)控，集中管理，統(tǒng)一調度，智能決策”。

4 結論

在流域綜合規(guī)劃中使用GIS技術采用計算機進行數(shù)據(jù)的分析計算，更具科學性和高效性。

（1）基于GIS技術進行流域綜合治理規(guī)劃的方法，能將屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)相結合，同時建立相關數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了定位、定量、定性三結合。

（2）應用GIS技術可以提取空間信息，建立、管理屬性數(shù)據(jù)庫，建立小流域綜合治理規(guī)劃數(shù)學模型，對屬性數(shù)據(jù)進行分析運算，在地理信息系統(tǒng)中建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接，使小流域綜合治理規(guī)劃更科學、精確、計算機化，提高工作效率，減少工作量。

（3）運用GIS技術，實現(xiàn)了各類規(guī)劃布局圖的輸出打印，規(guī)劃成果可以立即實施。

（4）計算機技術仍有較大發(fā)展空間，水利信息化仍是未來水利行業(yè)的發(fā)展方向，GIS技術在流域綜合規(guī)劃的應用上也需要更加深入的研究和實踐。